高原型风机电气系统的设计分析

王佰川



高原型风机电气系统的设计分析

王佰川

（攀枝花学院，四川 攀枝花 617000）

高原环境条件会影响风力发电机组电气系统的性能，只有摸清高海拔环境条件对风电系统各个部件的影响，才能设计出稳定运行的风电机组。本文阐述了高原环境对电气系统的各种影响因素，针对电气设备、电缆选型以及变流器水冷却系统提出了科学的优化方案。

高原型风机；电气系统；改进措施

中国的风能资源在海拔3000m以上约占16%，在海拔2000m以上为33%，在这些地区的风电资源技术可开发量高达47000MW。高原型风电场如此巨大的市场潜力将为高原型风电机组的发展应用带来绝佳的机遇。在这些高海拔地区使用的风力发电机组必须具备良好的环境适应性和适当的保护措施，以确保风机各系统的稳健运行。

某公司93～1600m高海拔机组在设计过程中，结合高原地区的环境特点，针对高原特殊生态环境从载荷、散热、控制策略、电气等多方面加强机组环境适应性设计[1]；同时，针对电气设备及电子元件在高原使用的特殊要求、材料和部件的抗紫外线能力、比较大的昼夜温差及其导致的凝露、高原地区的贮存和运输等方面都做出了有针对性的调整和设 计[2]。通过对叶片、发电机、电控系统等的优化设计，达到了《高原型风力发电机组技术规范》的设计标准[3]。本文针对高原特殊环境条件对风机电气系统的主要影响因素进行分析，并提出解决方案。

1 高海拔对低压电气系统的影响

海拔的升高对于风力发电机组低压电气系统的影响[4-5]，主要表现在电气间隙、爬电距离、电气元器件的容量、柜内主回路设计等方面。下文将进行详细的论述。

1.1 电气间隙和爬电距离

风电机组内部器件有交流400V和交流690V两种电压等级，变流器、主控柜、配电柜和冷却柜内所有元件的电气间隙、爬电距离都要求满足国家标准[6]，具体见表1。

表1 电气间隙和爬电距离修正系数

对于690V电压等级系统，依据GB 14048.1—2006的内容，其最小电气间隙应是8mm。5km海拔时设计调整过后最小电气间隙是8×1.48=11.84mm，定为12mm；其最小爬电距离是12.5mm。5km海拔时设计调整过后最小爬电距离是12.5×1.48=18.5mm，定为19mm。

对于400V电压等级系统，依据污染等级3级和绝缘类型R标准、过电压等级4kV来设计，依据GB 14048.1—2006[7]得知最小电气间隙是3mm，再依据表1数据，得出设计调整后5km海拔最小电气间隙是3×1.48=4.44mm。按绝缘类型R、工作电压400V和材料等级IIIb，依据GB 14048.1—2006，得出最小爬电距离是6.3mm，设计调整后得出5km海拔最小爬电距离是6.3×1.48=9.324mm，定为10mm。

1.2 电气元器件选型

塔基电气柜及机舱电气柜内部的电子元件、电气设备的容量应该随着海拔高度进行降容。例如继电器、接触器和断路器的容量，依据表2[2]进行调整。

表2 继电器、接触器和断路器的降容标准

1.3 柜内主回路采用铜排母线

由于高海拔地区的电源电压降低，回路中电流会增大，这对柜内的电缆和工艺提出更高的标准，所以应尽量将回路改为母线系统，主要原因如下：

1）使用母线后节约了柜内的纵向空间，多出来的空间将用于外部进电缆的空间，这将有利于车间整机装配、现场调试和维护。

2）母线排由3根铜排组成，载流量较大，通过专用的支架进行安装。出线方式：母线系统由相应的适配器进行连接，将电源从3根铜排上引出来。进线方式：通过柜侧断路器连接母排。

3）在采用母线后，柜内将不会出现大电缆，减少工艺难度的同时，增加了其可靠性，避免了电缆散热的问题。

4）鉴于电缆直径变的很大，配电柜内的配电电缆线径也会变的很大。首先线槽很难能容纳下这些电缆；另外柜内空间电缆排布太过紧凑，将极大地影响电缆的散热效果，从而直接影响电缆的载流能力。

2 高海拔对电缆选型的影响

本文以青海茫崖风电场的电缆选型来分析高海拔对电缆选型的影响。该风电场海拔高度为4000m，环境最高温度为40℃，采用某公司1.6MW的机型。

2.1 电缆最大工作电流

发电机额定电压为690V；发电机额定功率为1600kW；发电机绕组接线方式为星型绕组。

=1.732×cos（1）

所以最大工作电流为

max=1600000/(1.732×690×cos)A=1338A （2）

2.2 电缆设计

电压级别定为1.5kV，基于IGBT脉冲整流的AC-AC变流器设计中包含瞬间的d/d，其区间是1.1～1.4kV。

参考远东电缆的电缆选型手册：FDZ-YEH 1500V-1×300电缆在理想情况的载流量是894A，FD Z-YEH1500V-1×240电缆在理想情况的载流量是784A，所以粗略将电缆截面定为240mm2三根或300mm2三根。

2.3 校验

1）电流校验

表3 电流校验表

校验结果满足要求。

2）修正系数

在空气中电缆多根排列分布时的计算公式为=t×1，式中t是环境温度对比额定30℃时的校核系数，详细数据见表4。

表4 环境温度载流量校核系数

不在表4中的其他温度点依据公式为

式中，m为电缆缆芯最高工作温度，为90℃；a为环境实际温度；N为对应于额定载流量的基准环境温度，通常为30℃。

1为空气中成束排列分布电缆的修正系数，具体取值见表5。

表5 电缆分布修正系数表

注：“同时工作系数”指一束电缆中满负荷工作的电缆与总电缆根数的比值。

由于电缆分布为3层，且为同时工作，因此修正系数定为0.55。

3）依据长期发热标准核对

×al≥max（为修正系数依据表6选定，al为理想条件下的额定载流量），其中环境温度核对系数和电缆排列分布系数按照标准选定[8]。

4）经济电流密度校核、电压损失校核

因风电机组的电缆长度很短，所以电缆选型不考虑电压损失因素。对母线长度大于15m、年利用小时数多且大容量传输的回路才用经济电流密度校核，而风电是间歇性、不稳定能源，所以本论文也没做该校核。

最后结果：每相选定FDZ-YEYH1×300电缆为 3根。

表6 长期发热的核对表

注：电缆缆芯工作温度为90℃，青海茫崖风电场地区环境温度为40℃。

3 高海拔环境对变流器水冷系统的影响

高原环境下空气密度会剧烈降低，这导致了变流器水冷系统的散热效果变差。通过增加水冷散热风机的功率来加大风机体积风量，进而保障风机质量风量不变来改善变流器水冷系统的散热效果。

水冷系统的外部冷却器的电动机功率为

式中，e为外部冷却器的电动机功率；0为风机输出机械功率；1为风扇的叶片效率，为0.35；2为传动效率，非皮带式，取0.99；3为电动机的效率，为0.88[9]。

风筒输出机械功率为

0=2×D1×D（5）

式中，2为以风机空气温度为标准的温度修正系数，对于一般的引风式水冷风筒2=1.2～1.5，对于一般的鼓风式水冷风筒2=1.1；本文选择引风式，所以取1.3[10]。

D1为风筒的风压，取值为150Pa。D为空气穿过风筒时的体积风量，依据平原的空气密度= 1.395kg/m3来计算风机的体积风量，取值为4.8m3/s。

计算流程为

= (1.3×150×4.8)/(0.35×0.99×0.88)kW=3.07kW （6）

所以，平原型变流器的外冷散热电动机功率定为3.07kW。

空气密度和散热电动机的体积风量成反比例，依据4000m高海拔的情况下空气密度为0.736kg/m3来计算得到体积风量为8.29m3/s。

= (1.3×150×8.29)/(0.35×0.99×0.88)kW=5.3kW （7）

所以，高原型变流器的外冷散热电动机功率修正为5.3kW。

4 结论

高海拔的环境条件对电气系统的影响是多方面的，本文重点阐述了影响最大的3个因素，即低压电气系统、电缆、变流器水冷系统，并结合某公司青海茫崖风电项目的工程实践给出了高原型风电机组的解决方案。

[1] 王东, 刘广东, 赵双喜, 等. 高原型兆瓦级风电机组控制系统的设计[J]. 电气技术, 2011, 12(10): 46-51.

[2] 王富, 王杰, 徐学渊. 高原风力发电机组的设计及改进[J]. 电站辅机, 2009, 30(3): 19-22, 39.

[3] 曹国荣, 蒋耀生, 赵燕峰. 高海拔环境条件对风电机组变流器的影响[J]. 风能, 2011(7): 68-71.

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[5] 李金亮, 杜志叶, 阮江军, 等. 基于有限元法的避雷器阻性电流检测的相间干扰计算分析[J]. 电工技术学报, 2016(18): 184-190.

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[10] 王萌萌, 李彩霞, 许世峰, 等. 管式换热器的设计[J]. 化工机械, 2014(6): 45-48.

The design analysis of the plateau environment to wind turbine generator system

Wang Baichuan

(Panzhihua University, Panzhihua, Sichuan 617000)

The environmental conditions at the plateau environment will affect the performance of the electric system of the wind turbine. Only by finding out the requirement of the specific environmental condition of the plateau environment to the various components of the wind turbine system, the wind turbine would operate stablely. This paper describes various factors of the electrical system in plateau environment, and invents a scientific measures for electrical equipment, cable selection and converter water cooling system.

the plateau environment to wind turbine generator system; electrical system; improve measurements

2018-02-08

王佰川（1985-），男，硕士研究生，工程师，从事风电设计工作。

攀枝花市科技计划项目（2015CY-C-5）

四川省科技厅科研项目（2015JY0250）